3D打印螺紋和螺釘–簡(jiǎn)單指南

魔猴君  知識(shí)堂   423天前

先說第一件事：螺絲和螺紋有什么區(qū)別？螺釘是一種緊固元件，用于形成可拆卸的連接，而螺紋則是螺釘?shù)闹饕o固特征。也就是說，螺紋不僅用于螺絲，還存在于管道、線性驅(qū)動(dòng)器、蝸輪蝸桿和許多其他設(shè)備上。

所有螺紋的共同特征是它們的形成方式。每條螺紋都是在圓柱形表面的外部或內(nèi)部形成的具有特定截面的連續(xù)螺旋槽。

在大多數(shù)情況下，橫截面或形狀是三角形或梯形。三角形螺紋主要用于緊固件（螺釘），而梯形螺紋（方形螺紋的一種變體）則用于動(dòng)力傳輸和引線螺釘?shù)木€性驅(qū)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化說明，本文只討論三角形螺紋，但所有內(nèi)容都適用于這兩種類型。

公制螺紋和英制螺紋還有一個(gè)不同的分類。前者主要用于歐洲和亞洲，而后者則用于美國(guó)和英國(guó)。對(duì)于未經(jīng)訓(xùn)練的人來說，它們看起來是一樣的，但在三角形的形狀和螺旋曲線的螺距上存在差異。

本文魔猴網(wǎng)將和大家一起學(xué)習(xí)3D打印螺釘和螺紋的基礎(chǔ)知識(shí)。

基本術(shù)語(yǔ) 

螺釘?shù)穆菁y（來源：裝配緊固件）

在開始設(shè)計(jì)線程之前，您應(yīng)該熟悉一些術(shù)語(yǔ)和概念：

外螺紋或內(nèi)螺紋：外螺紋或陽(yáng)螺紋從圓柱表面延伸出來。內(nèi)螺紋或陰螺紋是外螺紋的反面，即刻在一個(gè)負(fù)圓柱表面上。例如，螺栓使用外螺紋，而螺母使用內(nèi)螺紋。

螺紋方向：螺紋要么向右擰，要么向左擰。右旋螺紋順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左旋螺紋逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)右旋螺紋，它就會(huì)擰開。此外，右旋螺母無法擰到左旋螺釘上。雖然右旋螺紋最常見，但在淋浴或水槽等地方的熱水手柄上也能找到左旋螺紋。

螺紋軸線：這是一條穿過圓柱體中心的直線，螺紋就是在這條直線上形成的。

根部：這是環(huán)繞螺紋主體的凹槽底部。

頂點(diǎn)：這是螺紋輪廓的最高點(diǎn)。

大直徑：環(huán)繞外螺紋頂端或內(nèi)螺紋根部的圓柱直徑稱為大直徑。該圓柱與螺紋軸同心。

小直徑：環(huán)繞外螺紋螺紋根部或內(nèi)螺紋螺紋峰的圓柱直徑。該圓柱與螺紋軸線和大直徑同心。當(dāng)提到內(nèi)螺紋時(shí)，小直徑也稱為"鉆頭尺寸直徑"。

螺距：這是相鄰螺紋上等效點(diǎn)之間的距離。例如，三角形螺紋的兩個(gè)相鄰峰之間的距離。

設(shè)計(jì)線程

在設(shè)計(jì)螺紋元件時(shí)，有兩種可能性。您可以使用CAD軟件中現(xiàn)有的工具箱，其中包含許多商用機(jī)器元件的模型。工具箱中的工具因軟件而異，有些可能需要購(gòu)買。

另外，您也可以從頭開始為螺紋元件建模。例如，Fusion 360提供了簡(jiǎn)化的螺紋生成功能，可以從頭開始為螺紋元件建模。其他CAD程序也有不同程度的類似工具。

不過，重要的是了解基礎(chǔ)知識(shí)。這不僅關(guān)系到如何使用CAD軟件，還關(guān)系到了解螺紋的設(shè)計(jì)規(guī)則。因此，在了解如何建立螺紋模型之前，我們先來談?wù)劼菁y規(guī)則。

線程規(guī)則

遵循標(biāo)準(zhǔn)（來源：Engineering ToolBox）

所有商用螺絲都是標(biāo)準(zhǔn)化的。例如，ISO M4X20 Bristol Allen螺釘已經(jīng)定義了螺距、角度和齒形尺寸。因此，當(dāng)您為螺紋元件建模時(shí)，尺寸不應(yīng)該是隨意的，而應(yīng)該是基于標(biāo)準(zhǔn)的。這樣做是值得推薦的做法，它能使您的模型更具適應(yīng)性，即使您要對(duì)螺紋進(jìn)行3D打印也是如此。

還要注意測(cè)量單位：

公制螺紋：公制螺紋的"M"表示螺紋的公稱外徑，單位為毫米。例如，M5螺紋的公稱外徑為5毫米。在外螺紋中，公稱外徑相當(dāng)于主直徑。在內(nèi)螺紋中，可以通過測(cè)量小直徑并參考公制螺紋表來確定公稱外徑。

英制螺紋：英制螺紋使用多種標(biāo)準(zhǔn)指定，包括統(tǒng)一螺紋標(biāo)準(zhǔn)（UTS），該標(biāo)準(zhǔn)主要用數(shù)字（如#4）來命名標(biāo)準(zhǔn)螺紋尺寸。UTS中最重要的兩個(gè)測(cè)量值分別是外螺紋或內(nèi)螺紋的大直徑或小直徑，以及每英寸螺紋數(shù)(TPI)。

因此，當(dāng)您要設(shè)計(jì)螺紋元件時(shí)，應(yīng)從推薦的標(biāo)準(zhǔn)表中獲取螺距、角度等所有規(guī)格。

使用軟件工具箱

SolidWorks不會(huì)讓您失望（來源：?mer Faruk Aras，來自GrabCAD）

在許多情況下，可能不需要從頭開始對(duì)零件建模。如上所述，許多CAD程序都配備了標(biāo)準(zhǔn)零件工具箱，如果您使用的零件是現(xiàn)有的商用零件，您可能只是運(yùn)氣好，不必對(duì)其進(jìn)行建模。

例如，在SolidWorks中，您可以使用現(xiàn)成的螺釘和螺母，而無需自己建模。您還可以有多種顯示選項(xiàng)：

簡(jiǎn)化：螺釘看起來很光滑，但螺距的擰緊比率仍然適用。

示意圖：模型上有螺紋貼紙。

詳細(xì)：模型上已經(jīng)有"螺紋"模型。

但要注意檢查螺紋是否可用。在某些版本的SolidWorks中，由于只有開發(fā)人員才知道的原因，該螺紋實(shí)際上并不是螺旋形的，而是在同一平面上進(jìn)行的一個(gè)圓形切割陣列，這意味著該螺紋實(shí)際上并不真實(shí)，也不會(huì)擰緊。如果你打印了這個(gè)，以為自己欺騙了系統(tǒng)，實(shí)際上你只是浪費(fèi)了幾個(gè)小時(shí)的打印時(shí)間。并不是每個(gè)軟件都是這樣的，所以請(qǐng)記得檢查。

Fusion 360

Fusion 360依靠插件來增加軟件功能。說到緊固元件，McMaster-Carr是最受歡迎的。它包括螺釘和螺栓、螺紋桿、墊圈、銷釘和釘子等元件。

您可以在"設(shè)計(jì)"工作區(qū)訪問McMaster-Carr。從"實(shí)體"選項(xiàng)卡，單擊"插入"，然后單擊"插入McMaster-Carr元件"。點(diǎn)擊"OK"確認(rèn)。

您可以瀏覽眾多類別，或直接在搜索欄中搜索所需內(nèi)容。一旦選擇了某個(gè)部件（例如螺釘），您就可以選擇螺紋尺寸和長(zhǎng)度，然后將其添加到工作區(qū)。

建模線程

在Fusion 360中設(shè)計(jì)線程很容易（來源：Miroslav Sarcevic，來自All3DP）

如果您需要的螺紋元素不方便使用，您就必須從頭開始建模。下面，我們將演示使用Fusion 360的簡(jiǎn)化螺紋生成功能設(shè)計(jì)外螺紋和內(nèi)螺紋的過程。

其他CAD程序可能也有類似的工具。不過，正如我們之前所說，最重要的是了解基礎(chǔ)知識(shí)，包括術(shù)語(yǔ)、既定標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則，所有這些我們都在上文討論過。有了這些知識(shí)，就可以使用任何有能力的建模工具來操作模型和輸入值，從而生成所需的螺紋。

讓我們從螺栓的外螺紋開始。

外螺紋

1、畫一個(gè)直徑為所需螺紋大直徑的圓。

2、將圓擠出到所需螺紋的長(zhǎng)度，創(chuàng)建一個(gè)圓柱體。

3、轉(zhuǎn)到"創(chuàng)建"，選擇"螺紋"選項(xiàng)。

4、選擇剛剛創(chuàng)建的圓柱體。確保選中"已建模"復(fù)選框，然后設(shè)置螺紋類型和其他螺紋參數(shù)。

5、點(diǎn)擊"確定"。

就是這樣。外螺紋就完成了！要使其成為一個(gè)合適的螺栓，您必須將其連接到您喜歡的頭部。

現(xiàn)在，我們來設(shè)計(jì)帶有內(nèi)螺紋的螺母。

內(nèi)螺紋

1、畫一個(gè)六角形。在本教程中，只需確保它比要設(shè)計(jì)的螺紋大。

2、將其擠出到所需高度。

3、在"創(chuàng)建"菜單中選擇"孔"選項(xiàng)，在中間開一個(gè)孔?？椎闹睆綉?yīng)為螺紋的主要直徑。

4、選擇剛剛創(chuàng)建的孔的內(nèi)表面，進(jìn)入"創(chuàng)建"菜單，然后選擇"螺紋"選項(xiàng)。

5、記得勾選"已建模"選項(xiàng)。設(shè)置螺紋尺寸和其他參數(shù)。

6、點(diǎn)擊"OK（確定）"。

就這樣。您的第一條螺紋就可以打印了！

3D打印螺紋

無論如何，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了螺紋元件的CAD模型，下一步就是打印它。好戲才剛剛開始。為了確保打印成功并有較長(zhǎng)的使用壽命，我們首先來了解一些打印注意事項(xiàng)。

1、入門

PETG是3D打印螺紋元件的良好材料（來源：Bakamoichigei，來自Reddit）

首先需要考慮的是打印材料，因?yàn)檫@對(duì)打印元件的工作性能有很大影響。螺絲在其長(zhǎng)度方向上會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的垂直力，而3D打印的螺絲只是一系列粘合層。

對(duì)于聚乳酸等較弱的材料，這種力有可能導(dǎo)致螺絲在臨界點(diǎn)斷裂。因此，在此類應(yīng)用中應(yīng)考慮使用ABS或尼龍等強(qiáng)度較高的材料。

材料確定后，在開始打印螺紋元件之前，還有幾個(gè)重要的打印機(jī)設(shè)置步驟。你要確保打印機(jī)已正確校準(zhǔn)。擠出機(jī)的校準(zhǔn)也很重要。此外，還強(qiáng)烈建議您調(diào)平打印床。

2、打印設(shè)置

螺釘采用3D打印且堅(jiān)固（來源：nathy_bh via Thingiverse）

以下是一些設(shè)置印刷的一般指導(dǎo)原則，以盡可能獲得最佳線程：

始終盡量垂直打印螺紋。為獲得最佳效果，螺紋軸應(yīng)垂直于打印床。

打印時(shí)不要使用支撐物，或至少確保支撐物不會(huì)進(jìn)入螺紋內(nèi)部。否則，在移除支撐物并保持功能性時(shí)會(huì)非常麻煩，尤其是內(nèi)螺紋。

如果可能，至少使用四層垂直層（殼）或至少2毫米厚的垂直壁。這將確保螺紋的強(qiáng)度。

填充密度取決于您的應(yīng)用，但盡量設(shè)置為至少25%。

層高是印制螺紋時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。為使操作順暢，層應(yīng)盡可能薄。作為指導(dǎo)，大于M12或1/2英寸的螺紋可以使用0.2毫米的層高打印，而較小的螺紋則應(yīng)使用較薄的層高打印。

3、注意

打印并擰緊（來源：greenzodiac via Thingiverse）

這看起來似乎很簡(jiǎn)單，但打印螺紋并不總是那么容易，尤其是如果您想要小直徑的螺紋。

假設(shè)您使用的是0.4毫米的噴嘴和0.2毫米的層高。在這種設(shè)置下，您能打印的最小螺距可能在0.5毫米左右（約0.1毫米）。這樣的螺距適合M3螺紋，如果要在相對(duì)較大的零件上打印內(nèi)螺紋，問題也不大。這是因?yàn)楫?dāng)噴嘴在其他地方時(shí)，螺紋有足夠的時(shí)間冷卻下來。

如果您需要在螺絲或螺栓上打印外螺紋，情況就會(huì)變得很有趣。在這種情況下，噴嘴無處可去，這意味著您可能需要額外的冷卻。在決定打印許多細(xì)外螺紋之前，請(qǐng)先測(cè)試您的打印機(jī)。

一般來說，嘗試打印螺紋測(cè)試是個(gè)好主意。這是測(cè)試3D打印機(jī)能力的最佳方法。

寫在最后

兩個(gè)螺絲，一個(gè)打印件（來源：aikiks via Printables）

即使第一次測(cè)試不成功，仍有希望！以下是一些最后的忠告：

即使您打印出了小于M6（直徑6毫米）的外觀漂亮的外螺紋，在使用它承載任何重量之前也要三思而后行。由于直徑較小和3D打印的特性，這種尺寸的螺紋最好只用于視覺模型。如果它必須是一個(gè)功能部件，則應(yīng)考慮不同的設(shè)計(jì)。

直徑小于4毫米的內(nèi)螺紋間距很小，因此很難打印。在這種尺寸下，可以考慮打印一個(gè)空白孔，然后用絲錐扳手切割螺紋。無論如何，無論是3D打印還是切割，在使用前清潔螺紋都是很好的做法。

有些材料比其他材料更容易收縮。在開始打印帶有螺紋的大型部件之前，先制作一些小樣品來檢查螺紋尺寸。打印內(nèi)螺紋時(shí)，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)螺紋很緊；打印外螺紋時(shí)，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)螺紋很松。

編譯整理：ALL3DP